2.2.2 “场”“流”分析的基本概念
袁乃驹教授等提出的“场”“流”分析的基本概念的主要内容包括：①“流”和“场”的存在是构成分离过程或反应过程的必要条件；②“流”和“场”按不同方式组合可以构成不同的过程；③调控“流”和“场”的作用，如利用化学作用或附加外场以增强“场”的作用，或改变“流”和“场”的组合方式，可以实现过程强化；④多种“流”和多种“场”的组合可以产生新的过程。
（1）“流”和“场”的存在是构成分离过程或反应过程的必要条件
首先，任何分离过程或反应过程都必须传递进出的物料，为了使物料充分混合、接触，物料还需要在体系中运动。对于分离过程而言，进入体系最少有一个“流”，其中最少含有两个组分，可以含有多个组分，移出体系的产品流应包括两个“流”或多个“流”。对于反应过程而言，进入体系可以是一个“流”或多个“流”，其中含有一个组分或多个组分。另外，“流”可以只含有被分离组分或参加反应的组分，也可以包含促进体系传递或反应的分离剂或载体。
根据“流”的定义和特征，可以建立过程的物料衡算、热量衡算和动量衡算的一般性方程，并建立模型、进行计算。应该说，“流”的存在，是构成分离过程或反应过程的必要条件之一。
值得提及的是，“流”只是物料主体的运动（位移）。对于一个均一的主体相，“流”的存在并不能使均一的主体相中的各个组分产生相对运动，不能直接产生组分间的分离作用。构成分离过程或反应过程的另一个必要条件就是“场”的存在。
十分明显，“场”的存在可以产生化学反应或传递现象。例如，均相混合物中的各个组分的分离，需要依靠各组分之间的不同的分子扩散速率；以颗粒或液滴等不同体相形式存在于流体中的非均相混合物的分离，依靠多相流中不同体相的运动速度差异；组分之间的化学反应的发生，则依赖于不同组分之间不同的化学亲和力。可以看出，使各个组分产生运动的差异而分离或发生化学反应都需要接受“场”力的作用，即分离体系或反应体系中必须存在“场”。例如，温度场的存在可以产生热传递，浓度场的存在可以产生物质的扩散等。
对于分离过程而言，由于“场”的存在而产生的传递也是一种流，但是，这种流和前面定义的整个体相位移的“流”有本质的差别。这种迁移传递的流可以使体相内各个组分产生不同的位移，是使各个组分实现分离的基础。
对于分离体系而言，在“场”的作用之下，各组分产生不同的运动速度和位移：①在相同的“场”力作用下，不同组分“粒子”通过某一介质或界面受到的阻力不同而形成不同的运动速度和位移；②在同一体系中，相同的“场”力对不同的组分“粒子”的作用不同，如固相吸附对不同组分的吸附力不同，不同组分在液相中的溶解度不同，不同组分与另一物质的络合能力不同等；③相同的“场”力作用下，不同组分“粒子”由于其质量不同而产生不同的运动速度。
（2）“流”和“场”按不同方式组合可以构成不同的过程
按照“场”“流”分析的观点，“流”和“场”按不同方式组合可以构成不同的分离过程或反应过程。换句话说，现有的分离过程或反应过程均可以表示为若干类“流”和“场”的组合，它们都可以用形式类似的数学模型来描述。
例如，对于一般的液液萃取过程，它是依据待分离溶质在两个基本上互不相溶的液相（料液相和萃取相）间分配的差异来实现传质分离的。换句话说，实现液液萃取过程，进行接触的两种液体必须是互不相溶的，或者存在足够范围的两相区域。待分离溶质从一个液相（料液相）转入另一个液相（萃取相），实现传质。按照“场”“流”分析的观点，液液萃取过程应包括料液相及萃取相两个液相“流”，其移动方式可以是连续的，也可以是分批的；其流动方向可以是逆流、并流或错流。液液萃取过程存在一个“场”，就是化学位，化学位的差异决定待分离溶质在料液相和萃取相之间分配的差异，实现分离。
对于反萃取过程，同样是由两个“流”、一个“场”构成的。反萃相及萃取相两个液相“流”，其移动方式同样可以是连续的或分批的，其流动方向可以是逆流、并流或错流。反萃取过程同样存在一个化学位“场”，化学位的差异决定待分离溶质从萃取相向反萃相转移，实现分离富集。
在一般的液液萃取或反萃取过程中，两个液相“流”的流动方式均表现为一个液相为连续相流动，一个液相为分散相流动，两相直接接触。这样，萃取分离过程必然存在一相在另一相中的“分散”接触和“聚并”分相。如果同样是两个“流”（萃取相流动及料液相流动），一个“场”（待分离溶质在两相间的分配差异，即化学位差异），但利用微孔膜作两相的分隔介质，就形成了膜萃取过程。膜萃取过程的传质是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面进行的。例如，由于疏水微孔膜本身的亲油性，萃取剂浸满疏水膜的微孔，渗至微孔膜的另一侧，萃取剂和料液在膜表面接触，发生传质。可以看出，与通常的液液萃取过程相比较，膜萃取过程没有改变“场”的数量，只是增加了“膜”这一分隔介质，从而改变了两个液相“流”的流动方式，变两相的直接接触为两相在膜两侧分别流动。这样的“流”和“场”的组合，使膜萃取过程中不存在通常萃取过程中的液滴的分散和聚并现象，可以减少萃取剂在料液相中的损失，由于两相分别在膜两侧做单相流动，使过程免受“返混”的影响和“液泛”条件的限制。膜萃取过程有着自己的特殊优势［4～7］。
萃取发酵耦合是典型的反应与分离耦合过程，是用于减少产物抑制的有效技术。例如，对于有机酸的萃取发酵过程，采用提取产物——有机酸的方式包括中空纤维膜萃取及反应萃取等。研究结果表明，通过过程耦合的方式用溶剂萃取实现产物的连续移出，缓解产物的抑制作用，维持较高的微生物生长率，对于提高转化率和产率是非常有利的。
按照“场”“流”分析的观点，发酵过程至少涉及一个“流”，即反应物料的液相流，涉及一个化学位“场”，反映着组分的化学亲和力。萃取过程涉及反应物料的液相和萃取相，共两个“流”，同样涉及一个化学位“场”，决定产物在反应物料的液相和萃取相之间的分配。萃取发酵耦合过程则涉及两个“流”、两个“场”。
作为耦合过程，有机酸萃取发酵过程的实施关键在于，在pH>pKa条件下、极性有机物稀溶液环境中，寻求萃取剂较强的萃取能力、萃取剂再生的经济性和合适的生物相容性的结合，从而提高过程的总体效率。十分明显，利用膜萃取过程与发酵反应过程的耦合，包含着两方面的强化作用：一方面，利用膜作为分隔介质，改变萃取溶剂与菌株的接触方式，削弱萃取剂毒性对发酵过程的影响；另一方面则是可以在萃取分离中引入络合萃取剂，利用化学因素强化萃取过程的推动力。
（3）调控“流”和“场”的作用可以实现过程强化
按照“场”“流”分析的观点，调控“流”和“场”的作用，例如，调控多“流”之间的相对运动、利用化学作用或施加外场等因素调控“场”的相对强度，都可以强化过程。
前已述及，一般的液液萃取过程包括料液相及萃取相两个液相“流”和一个化学位“场”，化学位的差异决定待分离溶质在料液相和萃取相之间分配的差异，实现分离。按照“场”“流”分析的观点，对于一个均一的主体相，“流”的存在并不能使均一的主体相中的各个组分产生相对运动，不能直接产生组分间的分离作用。然而，在液液萃取过程中，两相间必定存在明显的界面，相界面的特性和作用对萃取过程有特别的意义。改变两个“流”之间的相对运动状况，可以促进或抑制相界面的湍动，影响各主体相内的运动及混合，从而调控过程的传质速率。例如，调控两个“流”之间的相对运动，可以使液滴内分传质系数出现相当大的变化。
液液萃取过程可以按照过程中萃取剂和待分离物质之间是否发生化学反应来分类，即萃取分离可以分为物理萃取和化学萃取两大类。
物理萃取是基本上不涉及化学反应的物质传递过程。它利用溶质在两种互不相溶的液相中不同的分配关系将其分离开来。依据“相似相溶”规则，在不形成化合物的条件下，两种物质的分子大小与组成结构越相似，它们之间的相互溶解度就越大。分析物理萃取的机理，其“场”的作用主要是范德华力的作用范围。
许多液液萃取体系，其过程伴有化学反应，即存在溶质与萃取剂之间的化学作用。这类伴有化学反应的传质过程，一般称作化学萃取。化学萃取的“场”的作用是氢键力、离子缔合、离子交换等，作用能的大小比范德华力大很多，其化学键能的范围在10～50kJ/mol。化学作用的引入，强化了萃取过程。例如，基于可逆络合反应的萃取分离方法（简称络合萃取法）对于极性有机物稀溶液的分离具有高效性和高选择性。在这类工艺过程中，稀溶液中待分离溶质与含有络合剂的萃取溶剂相接触，络合剂与待分离溶质反应形成络合物，并使其转移至萃取相内。第二步则是进行逆向反应使溶质得以回收，萃取溶剂循环使用。络合萃取过程中，溶质与萃取剂之间的化学作用主要包括氢键缔合、离子对缔合和离子交换等。
用施加外场来调控“场”的相对强度，也可以达到强化过程的效果。例如，在液液萃取过程中最早利用的外场是离心力场。离心萃取设备是借助于离心机产生的离心力场实现液液两相的接触传质和相分离的，两相接触传质在很短的时间内完成。这一强化技术已经广泛应用。又如，利用外加静电场、交变电场和直流电场可以提高萃取过程中的扩散速率，强化两相分散及澄清过程，达到提高分离效率的目的。再如，将超声场加入到萃取或浸取体系中，利用超声场的“超声空化”等特殊性质也可以达到传质强化的效果。
（4）多种“流”和多种“场”的组合可以产生新的过程
按照“场”“流”分析的观点，优化设计多种“场”和多种“流”的叠加和耦合，可以产生新的强化过程。
同级萃取反萃取耦合过程是多种“场”和多种“流”耦合的一个典型的例子。液液萃取过程包括料液相及萃取相两个“流”，存在一个化学位“场”；反萃取过程则是由反萃相及萃取相两个“流”和一个化学位“场”构成的。如果把萃取过程和反萃取过程“耦合”成为一个过程，这就是同级萃取反萃取过程。同级萃取反萃取过程是由三个“流”、两个“场”构成的。料液相、萃取相及反萃相分别是三个液相“流”，同级萃取反萃取过程的萃取操作部分存在一个化学位“场”；反萃取过程同样存在一个化学位“场”，化学位的差异决定待分离溶质从料液相向萃取相转移，同时由萃取相向反萃相传递，实现分离。待分离溶质不断地从料液水相进入萃取相，又从萃取相进入反萃水相，并不在萃取相中发生积累。因此，萃取相中溶质浓度总是达不到与料液水相平衡的浓度。由于萃取反萃同时进行、一步完成，同级萃取反萃取过程一般被认为是具有非平衡特征的传递过程。实际上，同级萃取反萃取过程也应该存在相平衡状态。它体现为料液水相、萃取相和反萃水相之间的溶质的相平衡。
需要提及的是，在设计多“流”的耦合过程时，不同体相的流在过程中必须是可以分隔开的。例如，一个萃取过程的萃取相（油相）与料液相（水相）是可以分隔开的。然而，设计萃取-反萃耦合的多“流”多“场”过程时，就必须同时考虑料液相（水相）、萃取相（油相）、反萃相（水相）之间的分隔。这在一般的操作条件下基本上是不可能做到的，即在通常萃取设备中难以实现同级萃取反萃取过程。
膜技术的出现，使萃取-反萃耦合过程的设计成为可能。由于“膜”可以作为分隔“流”的介质，因此利用膜萃取技术可以实现同级萃取反萃取过程。在同级萃取反萃取的膜过程中，待分离溶质由料液水相首先经膜萃取进入萃取相（油相），在萃取相中经扩散到达萃取相与反萃水相的膜界面，并经膜反萃过程传递到反萃水相中。
乳状液膜分离过程实际上是特殊的萃取反萃耦合过程，其过程中的萃取和反萃取同时进行、一步完成。在这一耦合过程中，存在外相、膜相和膜内相三个“流”。一般情况下，外相与膜相呈逆流流动，膜相与膜内相呈并流流动。过程中存在两个“场”，分别决定待分离溶质在外相与膜相之间、膜相与膜内相之间的分配。
以乳状液膜脱除溶液中苯酚的间歇操作过程为例，采用同级萃取反萃取过程的单级接触模型讨论膜相无迁移载体的液膜分离体系的平衡关系［7］。例如，外相（料液水相）苯酚初始浓度为0.00745mol/L（700mg/L）；膜相为煤油，苯酚初始浓度为0；膜内相为NaOH水溶液，初始浓度为0.25mol/L，膜内相苯酚初始浓度为0；膜相与膜内相总体积和料液水相的体积比为0.2，膜相和膜内相的体积比为1.5。可以计算出单级平衡条件下料液水相的苯酚浓度为5.69×10-5mol/L（5.35mg/L）。这一结果与实验研究的分离残液的苯酚浓度数据（5mg/L）基本相符［8］。十分明显，苯酚在加氢煤油和水之间的萃取平衡分配系数仅为0.11［9］，但以煤油作为膜溶剂，液膜分离的单级萃取率可以达到99.2％以上，这明显体现出同级萃取反萃取过程的优势。
与水-油-水类型的同级萃取反萃过程有所不同，利用一般萃取过程与双水相萃取过程的耦合，可以构成油-水-水类型的三相体系。利用磷酸三丁酯-EOPO2500-（NH4）2SO4形成的三相体系，对甘草的氨水提取液中的甘草苷-甘草酸实现分离，在pH6.1～8.8的范围内，甘草苷和甘草酸分别分配到中间相和上相，经回收可以同时获得纯度较高的两种产品［10］。针对钛、铁、镁的金属共萃体系，利用三烷基氧化膦（TRPO）-聚乙二醇（PEG）-（NH4）2SO4形成的三相体系，并附之以EDTA络合剂，可以实现溶液中Ti4+、Fe3+、Mg2+在三相中的差异性分配，Ti4+、Fe3+分别分配到上相和中间相，Mg2+几乎全部留存于下相，实现了不同金属离子的分离［11］。
亲和膜过程是多种“场”和多种“流”耦合的另一个例子。在亲和膜过程中，生物大分子待分离物与膜上固载的亲和配基产生特异性相互作用，被保留在膜上，其他底物、细胞等杂物透过膜被分离；然后，通过洗脱将保留在膜上的目标产物解离下来，达到分离纯化的目的；亲和膜经再生后重复使用［12，13］。
亲和膜技术是亲和色谱与膜分离技术的有机结合，它不仅利用了生物分子的识别功能，可以分离低浓度的生物制品，而且充分发挥了膜渗透通量大、纯化的同时实现浓缩、设备简单、操作方便等特点。从“场”“流”分析的观点出发，在亲和膜过程中，特异性结合的亲和“场”作用与膜选择性透过的“场”作用有机结合在一起，将生物分子的识别分离、产品富集浓缩集于一体，实现了过程的强化。亲和膜技术是生物工程下游产品回收和纯化的高效方法，它已经用于单抗、多抗、胰蛋白酶抑制剂的分离，以及抗原、抗体、重组蛋白、血清白蛋白、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、干扰素等的纯化［14］。